Сегодня, с помощью нового исследования Церулло и его сотрудников из Колумбийского университета, опубликованного в Фотоника природы, устройства, использующие лазеры, готовы стать намного меньше.

Работая в лаборатории инженера Джеймса Шука в Колумбии, аспирант Синьи Сюй и постдок Кьяра Трователло изучали двумерный материал под названием дисульфид молибдена (MoS2). Они характеризовали, насколько эффективно устройства, построенные из стеков MOS₂ толщина менее одного микрона - это в 100 раз тоньше человеческого волоса - преобразует световые частоты на различных длинах волн для получения различных цветов.

Это новое исследование является первым шагом к замене стандартных материалов, используемых в современных перестраиваемых лазерах, которые измеряются в миллиметрах и сантиметрах, сказала Трователло, которая недавно защитила докторскую диссертацию в Cerullo в Милане. "Нелинейная оптика в настоящее время - это макроскопический мир, но мы хотим сделать его микроскопическим", - сказала она.

Лазеры излучают особый вид когерентного света, что означает, что все фотоны в луче имеют одинаковую частоту и, следовательно, цвет. Лазеры работают только на определенных частотах, но устройства часто должны иметь возможность использовать различные цвета лазерного излучения. Например, зеленая лазерная указка на самом деле создается инфракрасным лазером, который преобразуется в видимый цвет макроскопическим материалом. Исследователи используют нелинейно-оптические методы для изменения цвета лазерного излучения, но традиционно используемые материалы должны быть относительно толстыми, чтобы преобразование цвета происходило эффективно.

МоС₂ это один из наиболее изученных примеров нового класса материалов, называемых дихалькогенидами переходных металлов, которые могут быть разделены на атомарно тонкие слои. Одиночные слои MoS₂ могут эффективно преобразовывать световые частоты, но на самом деле слишком тонкие, чтобы их можно было использовать для создания устройств. Более крупные кристаллы MoS_2, между тем, как правило, они более стабильны в форме, не преобразующей цвет. Для изготовления необходимых кристаллов, известных как 3R-MoS₂, команда работала с коммерческим поставщиком 2D-материалов HQ Graphene.

С 3R-MoS₂ Держа в руках, Сюй начал снимать образцы разной толщины, чтобы проверить, насколько эффективно они преобразуют частоту света. Результаты сразу же оказались впечатляющими. "Редко в науке вы начинаете проект, который в конечном итоге работает лучше, чем вы ожидаете, - обычно все наоборот. Это был редкий, волшебный случай", - отметил Шук. Обычно для регистрации света, излучаемого образцом, требуются специальные датчики, и для этого им требуется некоторое время, объяснил Сюй. "С 3R-MoS₂, мы почти сразу увидели чрезвычайно большое улучшение", - сказал он. Примечательно, что команда зафиксировала эти преобразования на телекоммуникационных длинах волн, что является ключевой особенностью для потенциальных приложений оптической связи, таких как предоставление интернет-услуг и телевизионных услуг.

По счастливой случайности во время одного сканирования Сюй сфокусировался на случайном крае кристалла и увидел полосы, которые предполагали наличие волноводных мод внутри материала. Волноводные режимы синхронизируют фотоны разных цветов, которые в противном случае перемещаются по кристаллу с разной скоростью, и, возможно, могут быть использованы для генерации так называемых запутанных фотонов, ключевого компонента приложений квантовой оптики. Команда передала свои устройства в лабораторию физика Дмитрия Басова, где его постдок Фабиан Мушаммер подтвердил их догадку.

В настоящее время наиболее популярным кристаллом для волноводного преобразования и генерации запутанных фотонов является ниобат лития, твердый и негнущийся материал, который должен быть достаточно толстым для достижения полезной эффективности преобразования. 3R-MoS₂ не менее эффективен, но в 100 раз меньше и достаточно гибок, чтобы его можно было комбинировать с кремниевыми фотонными платформами для создания оптических схем на чипах, следуя траектории все более компактной электроники.

Благодаря этому результату проверки концепции узким местом на пути к реальным приложениям является крупномасштабное производство 3R-MOS₂ и высокопроизводительное структурирование устройств. Там, по словам команды, промышленность должна будет взять верх. С помощью этой работы они надеются, что продемонстрировали перспективность 2D-материалов.

"Я работаю над нелинейной оптикой уже более тридцати лет. Исследования чаще всего проводятся постепенно, постепенно опираясь на то, что было сделано раньше. Редко бывает, чтобы вы делали что-то совершенно новое с большим потенциалом", - сказал Черулло. "У меня такое чувство, что этот новый материал может изменить ход игры".